показаний производится по нижней точке мениска, а если ртуть, то отсчет производится по верхней точке. Целесообразно также использовать в качестве рабочей жидкости борвольфрамокислый кадмий (плотность 3,28 г/см3), поглощающий мало газов. При необходимости более точных измерений нужно также учитывать и коэффициент линейного расширения шкалы. При измерении ртутным манометром следует учитывать влияние капиллярных сил и выбирать диаметр трубки не менее 8—10 мм. При этом наименьшая разность уровней, которая еще может быть измерена достаточно точно, составляет ~10 мм рт. ст.

Для измерения давлений порядка 200 мм рт. ст. и ниже пользуются укороченным жидкостным манометром с закрытым концом (рис. 7). Для предохранения от резкого удара ртути о запаянный конец при впуске воздуха

вманометр участок трубки в месте изгиба на некоторой длине может выполняться в виде узкого капилляра, создающего сопротивление движению ртути. В таких манометрах нежелательно применять жидкости, растворяющие

всебе газы, а если это необходимо, то следует присоединять манометр к системе после достижения в ней достаточного вакуума. [4]

Для измерения давлений порядка десятых долей мм рт. ст. можно применять U-образный манометр, наполненный жидкостью с низкой упругостью пара и малой вязкостью, например бутилфталатом или бутилсебацинатом. В этом случае один конец U-образной трубки присоединяют к системе, в которой измеряется давление, а другой конец (сравнительное колено) соединяют с непрерывно работающим, вакуумным насосом.

Рисунок 7 – U-образный монометр

11

Давление в сравнительном колене пренебрежимо мало по сравнению с измеряемым давлением, и разность уровней в коленах манометра дает непосредственное значение давления в системе в миллиметрах столба бутилфталата (или другой жидкости). Применение бутилфталата повышает точность отсчета по сравнению с ртутным U-образным манометром в 12,9 раза.

Рисунок 8 – Чашечный (однотрубный) манометр: 1 – сосуд; 2 – отверстие для заливки рабочей жидкости; 3 – устройство для установки на

нуль; 4 – стеклянная трубка со шкалой; 5 – резиновая соединительная трубка; 6 – многоходовой кран; 7 – спусковой кран; 8 – уровень.

В чашечном манометре вместо одного из колен применен широкий сосуд, на поверхность которого действует атмосферное давление (рис. 7). Опускание уровня ртути в широком сосуде весьма незначительно и им можно пренебречь при технических измерениях или ввести соответствующую поправку и производить отсчет только одной величины по трубке 4. При небольших диаметрах измерительной трубки в показания чашечного ртутного манометра необходимо вносить поправку на капиллярность по графику, приведенному на рис. 8. [4]

Микроманометр — прибор для измерения малых давлений или незначительных разностей давлений до нескольких десятков мм вод. ст. Для

12

повышения точности отсчета в таких приборах измерительную трубку располагают наклонно, а иногда применяют специальное оптическое устройство. При присоединении наклонной трубки манометра (рис. 9) к вакуумной системе рабочая жидкость поднимается по вертикали на высоту h1, а в широком сосуде опустится на h2, при этом hx = n∙sin , где n— величина отсчета по длине трубки манометра; — угол наклона трубки. Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, переместившейся из одного колена в другое, можем записать

(2.1)

Тогда действительное значение вакуума в миллиметрах столба рабочей жидкости

(2.2)

Если пренебречь поправкой, то получим h = n∙sinα

Рисунок 8 – Зависимости поправки на капиллярность ∆ для чашечных ртутных приборов от внутреннего диаметра трубки d на разной высоте мениска hM

13

Рисунок 9 – Схема микроманометра с наклонной трубкой

Чем меньше угол наклона, тем чувствительнее манометр, однако менее 10° угол наклона не делают из-за возможных ошибок. Шкалу микроманометров обычно градуируют непосредственно в мм вод. ст. Заливаемой жидкостью чаще всего служит этиловый спирт с плотностью 0,81 г/см3 при 20 0С.

К этому типу манометров можно отнести и ртутный манометр Рэлея. Прибор поворачивают таким образом, чтобы стрелки указателей доходили до уровня ртути. Тогда давление будет пропорционально углу поворота, который измеряется отклонением светового луча зеркальцем (рис. 10). Прибор можно применять для измерения давлений от 1,5 до 10~3 мм рт. ст. Различные варианты этого метода описаны Дэшманом. [4]

Кольцевые весы являются надежным в эксплуатации прибором. Они не только непосредственно измеряют давление, но и производят запись его на ленточной диаграмме и могут снабжаться электропередатчиком для передачи показаний прибора на расстояние. В таком приборе полая трубка свернута в замкнутое кольцо, которое может свободно качаться, опираясь на ребро призмы, проходящее через центр кольца перпендикулярно его плоскости (рис. 11). Трубка до половины заполнена рабочей жидкостью, в верхней ее части имеется перегородка.

Рисунок 10 -Дифференциальный манометр Рэлея

Рисунок 11 – Схема действия кольцевого тягомера: 1 — кольцевая трубка; 2

— перекладина; 3 — подушка; 4 — перегородка; 5,6 — гибкие

14

соединительные трубки; 7 — груз; 8 — стрелка

По обеим сторонам перегородки расположены гибкие трубки, присоединенные к объемам с давлениями р1 и р2. В нижней части кольца укреплен груз. Если p1 = р2, то жидкость находится на одинаковом уровне в левой и правой части кольца. В случае, если имеется разность давлений, уровни рабочей жидкости смещаются и кольцо поворачивается на некоторый угол. При этом уравнение моментов имеет вид

(2.3)

где M — масса движущейся системы; а — расстояние центра тяжести системы от точки опоры; ф — угол поворота кольцевой трубки; h — высота столба жидкости; R — средний радиус кольца; F—площадь поперечного сечения кольца; — плотность рабочей жидкости.

Рисунок 12 – Схема поплавкового мономентра

Рисунок 13 – Схема колокольного монометра: 1 – колокол; 2 – пружина; 3 – сердечник; 4 – индукционная катушка; 5 – плюсовое давление; 6 – минусовое давление

15

Рисунок 14 – Компрессионный манометр

Кольцевые весы с водяным заполнением имеют предел измерения до 150 мм вод. ст., с ртутным заполнением — до 2500 мм вод. ст. Погрешность измерений ±1—2% от верхнего предела шкалы. Максимальное абсолютное давление, измеряемое прибором, около 150 мм рт. ст.

Поплавковый манометр (рис. 12) является одновременно показывающим и самопишущим прибором. С его помощью можно измерять вакуум от 90 до 100%. Поплавок, находящийся в одном из колен манометра, связаь с указывающей стрелкой и пером, регистрирующим давление. В качестве рабочей жидкости используют воду, ртуть или масло. [4]

Колокольные манометры регистрируют изменение давления в пространстве под колоколом, погруженным в жидкость, в результате его подъема или опускания (рис. 13). Приборы снабжены приспособлениями для регистрации давлений и телепередатчиками. Манометр обычно заполняют трансформаторным или другим маслом 127). Компрессионные манометры. Компрессионный манометр Маклеода наиболее распространенный абсолютный манометр, по которому производят градуировку относительных манометров в присутствии сухого воздуха или любого другого газа, далекого от точки конденсации. Манометр показан на рис. 14. Его обычно изготовляют

16

из стекла, а рабочей жидкостью служит ртуть. Перед началом измерений уровень ртути должен находиться ниже сечения 1—1 (рис. 15); трубка 1 и капилляр 3 соединены с вакуумной системой, имеющей давление рх. Объем V шара и капилляра выше сечения 1’—1′ для данного манометра является постоянной известной величиной. При проведении измерения уровень ртути постепенно повышается, при этом в объеме V отсекается и сжимается порция газа. Ртуть одновременно поднимается в капиллярах 2 (измерительном) и 3 (сравнительном). Давление над поверхностью ртути в сравнительном капилляре 3 равно рх, а давление р в измерительном капилляре значительно больше рх из-за сжатия газа. Благодаря этому образуется разность уровней ртути в капиллярах, причем влиянием капиллярных сил можно пренебречь, так как ртуть поднимается в двух одинаковых капиллярах. Если в вакуумной системе отсутствуют легко конденсируемые пары, то сжатие газа происходит по закону Бойля-Мариотта, т. е.

(2.4)

где V, , р — объем и давление газа над поверхностью ртути в измерительном запаянном капилляре.

Для определения давления рх пользуются одним из двух методов. Метод квадратичной шкалы состоит в том, что уровень ртути в сравнительном капилляре устанавливается у запаянного конца измерительного капилляра (см. рис. 15, б). Если обозначить известный заранее объем капилляра на длине 1 мм через v’, а разность уровней ртути в капиллярах через h, то

(2.5)

С другой стороны,

(2.6)

17

Рисунок 15 – Компрессионный манометр: а – измерение давления методом линейной шкалы; б – измерение давления методом квадратичной шкалы; в – устройство для поднятия ртути; г – компрессионный манометр с

тремя капиллярами

Тогда

(2.7)

Если пренебречь слагаемым рх, которое несравнимо меньше величины h, то получим

(2.8)

Второй метод — метод линейной шкалы (см. рис. 15, а) заключается в том, что уровень ртути в запаянном капилляре доводят до определенной отметки, на которой обозначен объем части запаянного капилляра выше этой отметки v, тогда

(2.9)

откуда

(2.10)

или снова пренебрегая слагаемым рх по сравнению с h, получим

18

(2.11)

Для поднятия и опускания ртути применяют различные устройства. Наиболее удобно применение тройного крана, который позволяет соединять ртутный баллон или с атмосферой или с вакуумной линией (см. рис. 15, Основные недостатки манометра: периодичность измерения (не более одного измерения в минуту), невозможность измерять давление паров, а также присутствие ртути. [4]

Диапазон давлений, измеряемых манометром, зависит от относительных размеров шара и капилляра. Чем больше объем шара и меньше диаметр капилляра, тем меньшие давления можно измерить манометром.

Обычно диаметр капилляра 0,8 мм, объем шара ~250 см3. Объем шара манометра, показанного на рис. 474, измеряющего давления до 10-6 мм рт. ст., составляет 400 см3. При этом точность измерений ±10%. В капилляре с диаметром меньше 0,5 мм возможно застревание столбика ртути.

Для расширения диапазона измеряемых давлений применяют манометр с тремя капиллярами, напаянными один на другой (см. рис. 15, г). При давлении порядка 10″6 мм рт. ст. ртуть может полностью заполнить запаянный капилляр и прилипнуть к его верхнему концу. Во избежание ошибок манометр перед употреблением следует хорошо промыть хромовой смесью (H2SO4 + CrO3), дистиллированной водой и просушить в вакууме или дополнительно промыть спиртом. Ртуть для заполнения манометра должна быть химически чистой и профильтрованной в вакууме. При использовании резиновых шлангов следует предварительно прокипятить их в слабом щелочном растворе, промыть дистиллированной водой и просушить.

19

3. Эжекторные и диффузионные насосы

Взаимодействие откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют эжекторными. [6]

Эжекторный насос (рис. 15) представляет собой цилиндрический корпус 3 с впускным 1 и выпускным 6 патрубками. В нижней части корпуса смонтирован кипятильник 8, а на выходном патрубке расположен холодильник 5 в виде водоохладительной трубки. В корпусе насоса установлен паропровод со сверхзвуковым эжекторным соплом Лаваля 2. За соплом Лаваля имеется теплоизолированная от корпуса камера смешения 4, а выходной патрубок соединен с нижней частью корпуса трубопроводом 7.

Рисунок 15 – Схема эжекторного насоса: 1 — впускной патрубок; 2 — паропровод со сверхзвуковым эжекторным соплом Лаваля; 3 — цилиндрический корпус; 4 — камера смешения; 5 — холодильник в виде водоохладительной трубки; б — выпускной патрубок; 7 — трубопровод; 8 — кипятильник; 9 — паропровод

Залитое в насос вакуумное масло нагревается кипятильником 8, пар но паропроводу 9 поступает в сопло Лаваля 2 и со сверхзвуковой скоростью выходит из него. При этом в камере смешения молекулы газа, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, получают импульс от паровой струи и за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. В холодильнике 5 масло конденсируется на стенках и по трубопроводу 7 стекает обратно в кипятильник. [7]

Производительность насоса возрастает с повышением давления воды. Предельное остаточное давление насоса практически равно упругости пара воды и увеличивается с повышением её температуры. Водоструйные насосы часто применяются в системах безмасляной откачки, последней ступени пароэжекторного насоса. Пароэжекторные насосы предназначаются для безмасляной откачки больших сосудов до давлений 1-10-1 Па.

20